Bầu trời màu xanh vì các phân tử không khí hắt ánh sáng xanh ra mọi hướng mạnh hơn nhiều so với ánh sáng đỏ, nên nhìn đâu cũng thấy ánh xanh. Lúc hoàng hôn, ánh nắng phải đi xuyên qua một lớp không khí dày gấp nhiều lần, phần xanh bị hắt đi gần hết trên đường, chỉ còn đỏ và cam tới được mắt mình.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Đây là câu hỏi mà gần như đứa trẻ nào cũng từng hỏi, và rất nhiều người lớn từng lúng túng trả lời, có khi bảo là vì trời phản chiếu màu biển. Câu trả lời thật hay hơn nhiều, và nó mở ra cả chuyện mây trắng, hoàng hôn sau cháy rừng, lẫn bầu trời trên hành tinh khác.
Ánh nắng trắng thật ra gồm những gì?
Ánh nắng trông trắng, nhưng nó là hỗn hợp của mọi màu cầu vồng trộn lại. Bạn thấy điều đó mỗi khi nắng chiếu qua một giọt nước, một mặt kính vát, hay mặt sau chiếc đĩa quang cũ, và tách ra thành dải đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
Mỗi màu là ánh sáng có bước sóng khác nhau. Hình dung như những gợn sóng trên mặt ao: đỏ là sóng dài, thưa; xanh và tím là sóng ngắn, dày. Khác biệt đó nghe nhỏ, nhưng nó quyết định ánh sáng cư xử thế nào khi va vào không khí.
Không khí chủ yếu là khí ni tơ và khí ô xi, những phân tử nhỏ hơn bước sóng ánh sáng rất nhiều. Khi ánh sáng gặp chúng, một phần bị hắt sang các hướng khác, hiện tượng gọi là tán xạ.
Điểm mấu chốt nằm ở đây: với những hạt nhỏ như vậy, sóng càng ngắn thì bị hắt càng mạnh, và mạnh hơn rất nhiều chứ không chỉ một chút. Ánh xanh bị tán xạ mạnh gấp mấy lần ánh đỏ.
Vì sao trời xanh chứ không phải màu tím?
Nếu sóng càng ngắn càng bị hắt mạnh, thì tím còn ngắn hơn xanh, lẽ ra bầu trời phải tím. Đây là câu hỏi mà học sinh giỏi hay vặn lại, và nó có ba phần trả lời.
Phần thứ nhất: ánh nắng tới được mặt đất vốn đã ít tím hơn xanh. Mặt Trời phát ra ít tím hơn, và một phần tím bị hấp thụ ở tầng khí quyển cao.
Phần thứ hai quan trọng hơn: mắt người không nhạy với tím. Mắt mình có ba loại tế bào cảm màu, và cách chúng phối hợp với nhau khiến hỗn hợp ánh sáng tán xạ trên trời, gồm nhiều xanh, một ít tím, một ít lục, được não đọc thành màu xanh da trời hơi nhạt.
Phần thứ ba là bầu trời không phải một màu tinh khiết. Gần chân trời, trời thường nhạt gần như trắng, vì ánh sáng ở đó đã đi qua nhiều không khí, bị tán xạ đi tán xạ lại nhiều lần và trộn thành trắng. Lần tới ra đồng trống, bạn nhìn từ đỉnh đầu xuống chân trời sẽ thấy màu nhạt dần.
Hoàng hôn đỏ cam: con đường dài của ánh nắng
Giữa trưa, nắng chiếu gần như thẳng xuống, chỉ phải đi qua một lớp không khí tương đối mỏng. Lúc Mặt Trời sát chân trời, ánh nắng đi xiên, lướt dọc theo bề mặt Trái Đất, xuyên qua một lớp không khí dày hơn nhiều lần.
Trên quãng đường dài đó, ánh xanh bị hắt ra khỏi chùm tia gần hết. Cái còn lại đi thẳng tới mắt mình là phần đỏ, cam, vàng. Vì thế chính Mặt Trời trông đỏ cam, và những đám mây được nó chiếu từ bên dưới cũng rực lên màu hồng cam.
Bụi, khói và hơi nước làm màu còn đậm hơn. Những ngày có khói đốt đồng hay khói từ một đám cháy lớn ở xa, hoàng hôn thường đỏ rực bất thường. Người ta từng ghi nhận hoàng hôn khắp thế giới đỏ lạ trong nhiều tháng sau những vụ núi lửa phun lớn, vì tro bụi lên tới tầng cao và lan rộng.
Và đây là một chi tiết dễ thương: ánh xanh bị hắt khỏi hoàng hôn của bạn không biến mất. Nó đang góp phần làm xanh bầu trời buổi chiều của những người ở xa hơn về phía tây.
Vì sao mây lại màu trắng, còn mây giông thì xám?
Nếu không khí hắt ánh xanh, sao mây không xanh. Vì mây làm từ những giọt nước li ti, mà giọt nước lớn hơn phân tử khí rất nhiều, lớn hơn cả bước sóng ánh sáng. Với hạt cỡ đó, mọi màu bị hắt gần như đều nhau. Trộn đều mọi màu thì ra trắng.
Còn mây giông xám đen không phải vì nó làm từ thứ gì khác. Nó chỉ quá dày. Ánh sáng vào từ đỉnh bị hắt đi hắt lại hàng nghìn lần, phần lớn không lọt được xuống đáy. Nhìn từ dưới lên, bạn thấy mặt tối của một khối nước khổng lồ.
Đó cũng là lý do một đám mây có thể trắng loá ở đỉnh mà xám chì ở chân, dù cùng một khối.
Còn biển xanh thì sao. Một phần vì phản chiếu bầu trời thật, nhưng phần lớn là do nước tự hấp thụ ánh đỏ nhiều hơn ánh xanh. Lặn sâu một chút, bạn sẽ thấy mọi thứ nhuốm xanh dần, và màu đỏ của áo phao biến mất trước tiên.
Trời trên sao Hoả và trên Mặt Trăng có màu gì?
Không khí khác thì trời khác. Mặt Trăng gần như không có khí quyển, nên không có gì hắt ánh sáng ra khắp trời. Các phi hành gia đứng giữa ban ngày trên Mặt Trăng vẫn thấy trời đen, Mặt Trời là một đĩa sáng chói trên nền đen.
Sao Hoả có khí quyển rất loãng nhưng nhiều bụi mịn màu gỉ sắt lơ lửng. Ảnh do các xe tự hành gửi về cho thấy trời ban ngày ở đó ngả màu vàng nâu hồng, còn lúc hoàng hôn, quanh Mặt Trời lại có một quầng xanh. Ngược hẳn với Trái Đất, và nguyên nhân là loại bụi ở đó hắt ánh xanh về phía trước theo hướng Mặt Trời.
Những chi tiết này giúp các nhà khoa học kiểm lại hiểu biết của mình: nếu lý thuyết tán xạ đúng, nó phải dự đoán được cả bầu trời ở những nơi con người chưa từng đứng.
Chiều nay nếu trời quang, bạn thử để ý Mặt Trời trước khi lặn. Màu đỏ cam đó là toàn bộ màu xanh đã bị bỏ lại trên đường, bạn có thấy bầu trời bỗng thú vị hơn một chút không?
Câu hỏi thường gặp
Nhìn thẳng Mặt Trời lúc hoàng hôn có an toàn không?
Không nên. Dù trông dịu hơn, ánh sáng Mặt Trời vẫn có thể gây hại cho mắt, nhất là khi nhìn lâu hoặc qua ống nhòm, máy ảnh. Hãy ngắm bầu trời quanh nó thay vì nhìn chằm chằm vào đĩa Mặt Trời.
Bình minh và hoàng hôn khác màu nhau không?
Về nguyên lý là như nhau, vì đều do ánh nắng đi qua lớp không khí dày. Nhưng hoàng hôn thường rực hơn ở nhiều nơi vì cuối ngày trong không khí có nhiều bụi, khói và hơi nước hơn buổi sáng sớm.
Vì sao trời sau mưa trong và xanh hơn?
Mưa rửa bớt bụi và hạt lơ lửng trong không khí. Khi ít hạt lớn, ánh sáng được tán xạ chủ yếu bởi phân tử khí, nên màu xanh trong và đậm hơn thay vì bị pha trắng đục.
Trời ô nhiễm có màu gì?
Không khí nhiều bụi mịn thường làm trời ngả trắng đục hoặc xám vàng, vì các hạt lớn hắt đều mọi màu. Nhìn bầu trời mờ đục vào ngày không mây là một dấu hiệu gợi ý chất lượng không khí kém, nhưng nên xem chỉ số đo đạc chính thức để biết chắc.
Vì sao nước biển ở mỗi nơi có màu khác nhau?
Màu nước phụ thuộc độ sâu, phù sa, tảo và đáy biển. Vùng nước sâu trong thường xanh thẫm, vùng có cát trắng nông thì xanh ngọc, còn cửa sông nhiều phù sa thì ngả vàng nâu.
